不同冷却通道内吸热型碳氢燃料热裂解和结焦特性研究

摘要

随着高超声速推进技术的发展，吸热型碳氢燃料(EHF)主动冷却热防护技术受到广泛关注。深入研究微通道内吸热型碳氢燃料的热裂解和结焦特性，对于发动机冷却结构设计和碳氢燃料应用性能评价都具有十分重要的意义。一般燃料研究多应用圆形通道，而发动机冷却结构多为方形通道。冷却通道几何结构的差异，可能导致燃料热裂解与结焦特性的显著差异，目前对该问题鲜有报道。本文旨在深入研究三种典型冷却通道几何结构内，碳氢燃料热裂解转化率和产物选择性，以及结焦形成的规律，并结合CFD模拟，深入解析通道结构对燃料热裂解和结焦的影响规律。 在三种几何结构（长方形、正方形、圆形）的冷却通道内开展热裂解实验，并对出口截面的流体温度、流速分布进行数值模拟。研究发现，方形通道（包括长方形和正方形通道）较圆形通道内流体的近边界层温度偏高，流速偏低，导致裂解转化率偏高（进料流率4g/s，出口油温700℃，相差17.2%），并且甲烷和部分一次反应产物的选择性也出现差异。 在三种几何结构的冷却通道内开展结焦实验，并对出口截面的产物浓度分布进行数值模拟。发现方形通道近边界层流体中，结焦前驱体（如甲苯）的浓度明显偏高，并且温度偏高，流速偏低。这造成方形通道沿管程的结焦量高于圆形通道，且长方形通道棱角处的结焦厚度高出圆形通道约67%。 在不同通道纵横比的多通道平板中开展了热裂解和结焦实验。发现较高纵横比能够促进燃料达到更高转化率。各项实验参数反映出，流量分配不均是造成通道阻塞的主要原因，且热裂解与流量分配不均过程相互促进，加快了结焦进程。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 吸热型碳氢燃料

1.2 吸热型碳氢燃料的吸热反应

1.3 碳氢燃料热裂解反应

1.3.1 影响碳氢燃料热裂解反应的因素

1.3.2 影响碳氢燃料热裂解结焦的因素

1.4 冷却通道

1.4.1 圆形冷却通道

1.4.2 方形冷却通道

1.4.3 多通道平板结构

1.5 课题的提出及主要内容

第2章 实验部分

2.1 实验原料

2.2 实验装置与方法

2.2.1 实验装置

2.2.2 实验流程

2.2.3 产物分析

2.2.4 热沉测量方法

2.2.5 CFD建模

第3章 单通道结构中碳氢燃料热裂解和结焦特性

3.1 实验条件

3.2 不同通道结构中碳氢燃料的热裂解特性

3.2.1 燃料转化率和产气率

3.2.2 产物分布

3.2.3 燃料热沉

3.3 通道结构对碳氢燃料热裂解的影响

3.3.1 通道结构对碳氢燃料热裂解的影响

3.3.2 通道结构和进料流率对碳氢燃料热裂解的综合影响

3.4 不同通道结构中碳氢燃料结焦特性

3.4.1 通道结焦量沿管程的分布

3.4.2 通道截面的结焦分布

3.4.3 结焦性质

3.5 通道结构对碳氢燃料结焦的影响

3.6 本章小结

第4章 多通道平板结构中碳氢燃料热裂解和结焦特性

4.1实验装置及操作条件

4.2 不同通道纵横比结构中碳氢燃料热裂解特性

4.2.1 燃料转化率和产气率

4.2.2 产物分布

4.2.3 燃料热沉

4.3 通道纵横比和流量分配不均对碳氢燃料热裂解和结焦的影响

4.3.1 通道压降

4.3.2 壁温分布

4.3.3 通道内碳氢燃料流量分配不均对结焦的影响

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢